材料物理双语课件(17)_Chapter 10 Nano-materials

二维 指在空间中有一维 在纳米尺度， 如超薄膜、多层膜等
按照维数划分
零维 指在空间三维方向 均为纳米尺度的颗粒、原子团簇等
一维 指在空间有维处于纳米尺度， 如纳米丝、纳米棒、纳米管等
10.1 纳米材料的种类
原子团簇 atomic clusters
介于单个原子与固态块体之间的原子集合体，其尺寸一般小于1nm，约含几个到几百个原子。 “幻数”个原子稳定性 气、液、固态的并存与转化 极大的表面/体积比 异常高的化学活性和催化活性 结构的多样性和排列的非周期性 其它奇特性质
Schematic representation of different types of organic–inorganic and inorganic–organic nanocomposites formation
10.2 纳米材料的特性 Characteristics of Nanomaterials
纳米超薄膜（ Nano ultra-thin films）——膜厚处在纳米数量级的薄膜。 属于二维纳米材料 可通过Langmuir-Blodgett（LB）法、自组装法（self-assembly， SA）等制备 纳米薄膜与纳米涂层主要是指含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或多层膜。 一般都具有准三维结构与特征，性能异常。
Nanoscale metal
Separation between the valence and conduction bands
Unoccupied states
occupied states
Particle size < mean free path of electrons
宏观量子隧道效应 Macroscopic quantum tunnelling effect
不同晶界厚度时晶界原子数占总原子数百分比随晶粒直径变化关系
如A原子缺少三个近邻，B、C、D原子各缺少两个近邻，E原子缺少一个近邻，它们均处于不稳定状态， 近邻缺位越多越容易与其他原子结合，说明处于表面的原子(A、B、C、D和E)比处于内部的原子的配位有效明显的减少。
量子尺寸效应 Quantum size effect
纳米材料的发展
最早的纳米材料： 中国古代的铜镜的保护层：纳米氧化锡 中国古代的墨及染料 1857年，法拉第制备出金纳米颗粒 1861年，胶体化学的的建立 1962年，久保(Kubo)提出了著名的久保理论 上世纪七十年代末至八十年代初，开始较系统的研究 1985年，Kroto和Smalley等人发现C60 1990年7月，在美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会议 1994年，在波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，这些能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。 当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，这时必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。
Net shape forming via consolidated nanoparticles
纳米复合材料（Nanocomposites）
纳米复合材料——由两种或两种以上的固相至少在一维上以纳米尺度复合而成的复合材料。 较常用的分散相有纳米颗粒、纳米晶须、纳米晶片、纳米纤维等。 基体材料（连续相）可以是金属、无机非金属和有机高分子， 可以同样是纳米级的，也可以是常规材料。
一维纳米材料
Classifications of 1D nanostructures
质轻、高韧性， 并具有类似钻石的杨氏模量， 以及特殊的电子传输特性， 被认为是最佳的纳米组件材料之一。 此外，由于其尖端直径可达到1nm， 因此也是最佳的纳米探针材料。
碳纳米管 Carbon Nanotube(CNT)
Metal nanocrystals in closed-shell configurations with magic number of atoms.
The Relation Between the total number of atoms in Full shell (‘Magic Number’) clusters and the percentage of surface atoms
表面与界面效应 Surface and interface effects
纳米微粒尺寸小，表面大，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面急剧变大，引起表面原子数迅速增加。 表面粒子活性高的原因在于它缺少近邻配位的表面原子，极不稳定，很容易与其他原子结合。这种表面原子的活性不但引起纳米料子表面原子输送和结构的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。
纳米颗粒 nanoparticles
纳米颗粒：尺寸为纳米量级的超微颗粒 一般不具有幻数效应 比表面积远大于块体材料 导致其电子状态发生突变 产生各种纳米效应
TEM Images of Au Nanoparticles
(a)TEM overview image of 11 nm -Fe2O3 nanocrystals. The highly uniform particle size leads to the formation of a 2D supercrystal on the TEM grid. TEM overview images of CoFe2O4 nanocrystals with spherical morphology of (b) 5 nm and (c) 8 nm, and of cubic shape, (d) 9 nm and (e) 11 nm in size.
纳米膜材料
TEM image of an ordered monolayer of gold nanocrystals
纳米固体材料
具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体材料。 例如，由纳米颗粒压制烧结而成的三维固体，结构上表现为颗粒和界面双组元 原子团簇堆压成块体后，保持原结构而不发生结合长大反应的固体。 由原子团簇堆压成的纳米金属材料具有很大的强度和稳定性，以及很强的导电能力，这类材料存在大量晶界，呈现出特殊的机械、电、磁、光和化学性质。
Quantum size effect
Bulk Metal
Unbound electrons have motion that is not confined
Close lying bands
Decreasing the size…
Electron motion becomes confined, and quantization sets in
Definition
Nanomaterials——materials having at least one spatial dimension in the size range 1–100 nm. 纳米材料——微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm~100nm）调制的各种固体超细材料，或由它们作为基本单元构成的材料。
TEM Image of Au Nanorods Prepared by a Seed-Mediated Growth Method
Aspect Ratio = 13
J. Phys. Chem. B. 2001, 105, 4065
TEM images of CoP nanorods of varying aspect ratios obtained using different ratios of hexadecylamine and triphenylphosphine oxide.
纳米效应 小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应 纳米材料的特殊性质 当粒子的尺寸减小到纳米量级，由于纳米效应而导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性
10.2.1 纳米效应 nano effects
小尺寸效应（Small size effect） 当超微粒子的尺寸与光波波长、 德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。
SEM images Baidu Nhomakorabeaf CNT
把碳纳米管用作转子的纳米马达图像
纳米线和纳米棒 nanowires and nanorods
SEM images of (a) AlN, (b) GaN, (c) InN; (d)–(f ) HREM images of AlN, GaN and InN nanowires (double headed arrow indicates crystal long axis, and the spacing between two white lines gives the lattice spacing)
Full-shell Clusters
Total Number of Atoms
Surface Atoms (%)
1 Shell
13
92
2 Shells
55
76
3 Shells
147
63
4 Shells
309
52
5 Shells
561
45
7 Shells
1415
35
Structure of C60
量子隧道效应是量子力学中的微观粒子所有的特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度的时候，由于电子具有波动性而具有穿过势垒的几率。 宏观物理量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等也显示隧道效应，称为宏观量子隧道效应。 在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作。
超晶格 superlattice
超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜。 用两种晶格匹配很好的半导体材料交替地生长周期性结构，每层材料的厚度在100nm以下，则电子沿生长方向的运动将会产生振荡，可用于制造微波器件。
纳米超薄膜、纳米薄膜与纳米涂层 Nano ultra-thin films, Nano-films and Nano-coating
第一阶段（1990年以前） 在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能。 第二阶段（1994年以前） 如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。 第三阶段（1994至现在） 纳米组装体系。
Chapter10Nanomaterials
本章内容
纳米材料的种类 纳米材料的特性 纳米材料的制备 纳米材料的应用
学习目的
了解材料的种类 了解纳米效应及其对纳米材料性质的影响 理解纳米材料的制备原理及方法 了解纳米材料的应用
What does Nano mean?
“Nano” – derived from an ancient Greek word “Nanos” meaning DWARF. “Nano” = One billionth of something “A Nanometer” = One billionth of a meter 10 hydrogen atoms shoulder to shoulder
10.2.2 纳米材料的特殊性质
光 学 热 学 电 学 磁 学 力 学 化学特性
（1）光学性质
纳米颗粒的表面效应和量子尺寸效应对其光学特性有很大的影响。 主要表现 宽频带强吸收——大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键增多纳米粒子呈黑色、极低反射率 蓝移现象 量子限域效应 纳米微粒的发光
宽频带强吸收
纳米粒子呈黑色、极低反射率 纳米氮化硅、碳化硅及氧化铝粉末对红外有一个宽带吸收谱 大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键增多，存在一个较宽的键振动模的分布 可以作为高效率的光热、光电等转换材料，也可以应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。